五台山清水河流域植被垂直带水循环过程研究

五台山为华北地区最高峰(海拔3058 m),发源于五台山的清水河流域,海拔梯度大,植被垂直分异显著,目前关于植被垂直带的水循环过程及其相互之间的差异研究尚显不足。为此,利用分布式水文模型WEP-L模拟清水河流域水循环过程,分析不同植被垂直带的水循环过程。结果表明:受气温显著升高影响,高海拔地区的季节性冻土消退、活动层变厚及土壤蓄水容量增加,促进降水入渗。海拔1500 m以下区域蒸散发主要受降水影响,而海拔1600 m以上区域则主要受能量的影响。不同植被垂直带的水循环过程差异显著,径流系数表现为:耕地亚高山草甸荒漠草地常绿针叶灌木林落叶阔叶林。研究结果可为山区流域水资源高效利用和生态建设提供科学依据。     

基于SUFI-2优化算法和SWAT模型的汾河流域月径流模拟

以黄河中游的汾河流域为研究区域,构建汾河流域SWAT分布式水文模型,采用SUFI-2优化算法进行参数敏感性分析、率定与不确定性分析,模拟了流域控制站河津水文站的月径流过程。结果表明:12个水文参数对径流的模拟均有不同程度的影响,对径流影响量最大的为土壤层有效含水量、其次为径流曲线数,影响最小的为主河道河床曼宁系数;率定期和验证期E_ns值均达到了0.80以上,相对误差R_e均小于20％,且确定性系数R²均大于0.85。汾河流域SWAT模型的月径流模拟效果较好,验证期较率定期落在不确定性区间的数量有所增加,表明验证期的径流模拟比率定期的径流模拟不确定性程度大。     

大型水库流域SWAT模型构建和径流模拟

本文介绍了基于大型水库流域地质条件、土壤种类等要素建立水库流域土壤数据库，结合流域DEM图，土壤使用地图，土壤类型图及其气象数据构建流域SWAT模型，并利用实测径流资料进行参数率定的过程。径流模拟结果分析表明，构建的SWAT水文模型能较好模拟研究区地表径流过程，为水库流域进一步开展变化条件下水文响应及水质模拟等研究奠定了基础，为流域今后经济和社会的可持续发展和水资源的合理开发利用提供了科学依据。     

植被覆盖对光学影像反演土壤含水量的影响分析

为了获取植被覆盖对光学影像反演土壤含水量的影响,选用归一化植被指数(NDVI)表示植被覆盖度水平,以垂直干旱指数(PDI)或修正垂直干旱指数(MPDI)线性回归土壤含水量的光学影像反演方法为例,基于2018—2020年哨兵2号卫星影像,利用河北省地面土壤含水量实测数据,对不同植被覆盖水平下土壤含水量反演精度进行评价,探讨植被覆盖对土壤含水量反演精度的影响。结果表明：(1)在NDVI≤0.13时,PDI的反演精度略优于MPDI反演精度,MPDI对PDI的修正作用不明显;(2)在0.13<NDVI≤0.30时,PDI仍能够达到较好的精度,但MPDI可以明显提高精度;(3)当0.30<NDVI≤0.59时,PDI反演精度较差,修正后MPDI能够显著提升精度;(4)在NDVI>0.59时,修正后的MPDI也无法得到满足要求的精度。可得出结论：当NDVI≤0.59时,光学影像可反演得到精度尚可的土壤含水量反演结果,通过一定的植被影响修正方法,可改善反演精度;当NDVI>0.59时,即使采用修正方法,基于光学影像难以得到满足要求的精度。     

汉江流域植被变化及其对多时间尺度气象干旱的响应

干旱是影响植被生长的重要因素之一,因此研究植被对不同时间尺度干旱的响应具有重要意义。利用1982—2019年汉江流域逐月降水和归一化植被指数（NDVI）数据,计算得到不同时间尺度下的标准化降水指数（SPI）、植被状态指数（VCI）和植被覆盖度（FVC）,分析了植被时空变化及对多时间尺度气象干旱的响应特征。结果表明：汉江流域生长季NDVI在时间上呈现波动上升趋势,植被覆盖度在空间上表现为西高东低的分布特点;随着时间尺度的增加,干湿交替频率减小,表征干旱事件对降水的敏感性在降低;从干旱趋势来看,分别有37.62%和62.38%的地区呈现上升和下降趋势;从干旱频率来看,各季干旱高频事件集中在流域中部和东部;在年尺度下,NDVI与SPI-12在大部分地区呈负相关,有43.26%的地区表现为正相关,主要分布在流域中部和东南部;在季尺度下,春季NDVI对SPI-3的响应最明显,85.64%的地区表现为正相关;在月尺度下,汉江流域春季VCI受SPI-1和SPI-3的影响最为明显,而秋季VCI对SPI-12的响应更为显著;在不同土地利用类型中,草地和耕地与SPI的相关性较高,说明其对干旱的抵抗力较弱。     

SWAT模型在呼伦湖流域中的应用探究

对呼伦湖流域的流域植被、土壤类型、流域气象与水文资料总结分析的基础上,运用SWAT模型对呼伦湖流域进行水文过程模拟,通过SWAT模型模拟不同放牧制度下的呼伦湖流域生态水文过程。研究表明,由于不合理的放牧制度,造成流域水生态环境严重危机,进而影响整个呼伦贝尔草原的生态环境。     

基于互补原理确定黄土高原Budyko方程的流域特性参数

Budyko方程的流域特性参数一般根据植被覆盖度等下垫面特征进行确定,但相关资料不易获取。本文针对黄土高原地区29个小流域,通过分析流域特性参数、植被覆盖度和互补关系中大气湿润指数之间的关系发现,大气湿润指数能够间接反映植被覆盖度的大小,进而能够利用常规气象数据确定流域特性参数,并拟合出了经验公式。相比采用固定流域特性参数,这种方法能够提高Budyko方程对实际蒸散发量的模拟效果。相比于植被覆盖度等下垫面资料,常规气象数据时间序列长、且更易获取,因此本方法具有较好的应用前景。     

SWAT模型在天山西部山区的应用

以伊犁喀什河流域为研究对象,采用分布式流域水文物理模型SWAT对喀什河流域进行径流模拟,并建立模型所需的土壤、土地利用、气象数据库。应用1990-1996年的月径流资料进行模型参数的率定;1997-2000年月径流资料进行模型的验证,评估了模型在天山西部山区的适用性。模型经过多次的参数率定后,能较好地模拟新疆山区水文过程。结果表明:率定期的径流相对误差RE为8.6%,Nash-Sutcliffe效率系数为0.8,模拟值与实测值之间的拟合程度较好。融雪是新疆径流形成的重要环节,模型中的融雪参数对模拟径流结果的影响较大,适当的调整融雪参数值,可提高模拟精度。     

SWAT模型的参数灵敏度分析——以贡嘎山海螺沟不同植被类型流域为例

目前分布式水文模型在我国各种流域的水文过程模拟中已得到广泛的应用,为了深入了解不同分布式水文模型参数在水文循环过程中的影响程度,文中针对贡嘎山海螺沟4种不同植被类型流域,采用扰动分析方法定义模型参数的灵敏度并根据灵敏度的取值分为5级,基于SWAT(Soil&Water Assessment Tool)分布式水文模型研究了模型参数灵敏度在年内夏季和冬季的变化及其对水文过程模拟结果的影响。计算结果表明:冬季模型参数的灵敏度普遍偏高,会出现枯水期径流过程模拟误差较大的现象,而夏季模型参数的灵敏度相对降低;但在同时模拟汛期和枯期的径流过程情况下,前者的误差会小于后者。通过对SWAT模型参数在不同植被类型流域的灵敏度分析,将会有助于减少水文模拟的不确定性或能获得更好的估计结果。     

基于SWAT模型对洙赵新河流域径流的模拟研究

洙赵新河是南四湖流域重要的入湖河流,研究该流域的径流对南四湖湖西平原区具有重要意义。选用SWAT分布式水文模型,通过SWAT-CUP程序的Sufi-2算法进行参数率定、敏感性分析与不确定性分析,模拟了洙赵新河流域2008-2014年的月径流过程。结果表明:月径流在校准期和验证期的相关系数R2和NS效率系数均大于0. 85,表明SWAT模型在洙赵新河流域适用性较好;根据敏感性分析结果发现水文相关参数与径流有不同程度的相关性,其中植被蒸腾补偿系数、河岸调蓄的基流α因子、浅层地下水径流系数等13个参数最为敏感;在气象站点密度较小的地区,引入CMADS气象数据集作为流域水文模型的驱动数据集,取得了理想的效果。     

Application of spatially varying storage capacity model for runoff parameterization in semi-arid catchment

This paper introduces the method of designation of water storage capacity for each grid cell within a catchment, which considers topography, vegetation and soil synthetically. For the purpose of hydrological process simulation in semi-arid regions, a spatially varying storage capacity (VSC) model was developed based on the spatial distribution of water storage capacity and the vertical hybrid runoff mechanism. To verify the applicability of the VSC model, both the VSC model and a hybrid runoff model were used to simulate daily runoff processes in the catchment upstream of the Dianzi hydrological station from 1973 to 1979. The results showed that the annual average Nash-Sutcliffe coefficient was 0.80 for the VSC model, and only 0.67 for the hybrid runoff model. The higher annual average Nash-Sutcliffe coefficient of the VSC model means that this hydrological model can better simulate daily runoff processes in semi-arid regions. Furthermore, as a distributed hydrological model, the VSC model can be applied in regional water resource management.     

Terrestrial hydrological features of the Pearl River basin in South China

This paper presents the terrestrial hydrological features of the Pearl River basin in South China by using a macro-scale hydrological model, the Variable Infiltration Capacity (VIC) model, and a routing scheme. Without calibration, the VIC model is used to simulate streamflow, evapotranspiration and soil moisture change at a daily time step for the period 1951–2000. After aggregation of daily output, it is observed that the VIC streamflow simulation is comparable to the observation at a month step. Moreover, from the model simulation, the study reveals that the monthly soil moisture change varies dynamically for maintaining the basin water balance, and both of the streamflow and evapotranspiration are dominant hydrological processes over the basin. With the routing scheme, the hydrological simulation from the VIC model is investigated at a daily step. It is observed that the scheme can improve the simulation of the timings and magnitudes of the daily streamflow peaks significantly, and the temporal scale of the influence of the routing on the streamflow simulation is less than 2–3 weeks in the Pearl River basin.     

垂向一维水温模型在东江水库中的应用研究

针对现有垂向一维水温模型研究中缺少对模型关键参数和边界条件敏感性的系统分析,以东江水库为例,开展了垂向一维模型在湖泊型水库水温模拟中的适用性研究。研究结果表明:东江水库库区斜温层变化主要受气象条件控制,年内下泄水温过程稳定,模型能够较好模拟出垂向水温结构演变及下泄水温过程特征,与实测结果吻合良好;表层水温计算对水气热通量参数较为敏感,垂向扩散系数是影响垂向水温结构模拟的关键参数;同时,不同精度系列的气象过程不改变水库的整体热量收支,对水温结构基本无影响。     

半干旱黄土区土壤水分垂向变异性的研究

以甘肃省兰州市孙家岔流域为研究对象,利用1981-1983年、2011年的实测土壤水分资料,采用地质统计法分析了该流域土壤水分的垂向变异特征.结果表明,球状模型对丰水年和平水年不同土地利用（梯田和荒坡）土壤水分垂向分布的变异函数拟合,经F值检验后为显著水平.在枯水年,球状模型对梯田的实验变异函数依旧拟合较好,而荒坡在枯水年二次线性模型对土壤水分垂向分布拟合较好,对枯水年雨季分析,发现土壤水分的时空间自相关也很弱.半干旱黄土区土壤水分垂向变异性的研究,可对该区不同土地利用的蓄水特征和土地规划利用提供一定的理论依据.     

黄壤径流小区植被覆盖度对土壤湿度的影响

土壤水是生态环境的重要因素,黄壤是亚热带湿润条件下的一种地带性土壤,研究植被覆盖度对土壤湿度的影响对该地区水文过程研究、水土保持、水资源利用都具有重要意义。设置植被覆盖度不同的黄壤径流小区,对其土壤湿度进行长期监测,分析不同植被覆盖度条件下土壤湿度的平均水平和变化特征,结果表明:植被覆盖度分别为75%、70%、50%、10%的条件下,土壤湿度平均值分别为43. 04%、44. 34%、43. 33%、46. 59%,土壤湿度的最大值、平均值以及变化范围、降雨时变化速度均与植被覆盖度呈负相关关系;植被覆盖度分别为75%、70%、50%、10%的条件下,各场降雨土壤湿度峰值开始时间总和分别为157、155、154、150 h,植被覆盖度较高条件下土壤湿度对降雨响应的滞后现象较为明显; 9-12月,各植被覆盖度下土壤湿度均与气温呈显著正相关(P=0. 05),显示出无降雨影响时段的土壤湿度呈现随季节变化降低的趋势。综上所述,在研究期内,黄壤径流小区土壤湿度的动态特征主要受降雨影响,不同植被覆盖度条件下植被对降雨的截留作用不同,是导致土壤湿度差异的主要原因。     

Application of a leakage model to assess exfiltration from sewers.

The exfiltration of wastewater from sewer systems in urban areas causes a deterioration of soil and possibly groundwater quality. Beside the simulation of transport and degradation processes in the unsaturated zone and in the aquifer the analysis of the potential impact requires the estimation of quantity and temporal variation of wastewater exfiltration. Exfiltration can be assessed by the application of a leakage model. The hydrological approach was originally developed to simulate the interactions between the groundwater and surface water, it was adapted to allow for modelling of interactions between groundwater and sewer system. In order to approximate the exfiltration specific model parameters infiltration specific parameters were used as a basis. Scenario analysis of the exfiltration in the City of Dresden from 1997 to 1999 and during the flood event in August 2002 shows the variation and the extent of exfiltration rates.     

基于水文-作物耦合模型和CWAPI指数的农业干旱评估

基于模拟土壤含水量构建的干旱指数可反映农业干旱的时空发展过程,已被广泛用于大范围农业干旱评估中。当前模拟用于干旱评估的土壤含水量时,常采用水文模型进行模拟。然而,水文模型常过于简化作物模块甚至缺少作物模拟方案,无法模拟作物需水量,因此仅基于土壤含水量构建的土壤干旱指数因忽略作物需水而难以准确评估实际的农业干旱情况。研究构建了考虑灌溉过程影响的水文-作物耦合模型VIC-EPIC（Variable Infiltration Capacity-Environmental Policy Integrated Climate）,提出了基于VIC-EPIC模拟作物需耗水过程的作物缺水距平指数CWAPI（Crop Water Anomaly Percentage Index）,在青口河流域开展了区域农业干旱评估方法研究。验证分析表明,构建的CWAPI因考虑作物需水影响可直接反映作物的缺水状态和缺水对作物生长的累积影响;由于在干旱评估中引入了作物种植比例、轮作类型和灌溉的影响,CWAPI能够较SMAPI（Soil Moisture Anomaly Percentage Index）更客观地反映区域作物旱情。因此评估农业干旱时,需要考虑作物种植比例、轮作和灌溉过程的影响。     

流域植被与土壤导水系数对青弋江流域水文影响的数值试验

为了揭示植被覆盖以及土壤导水系数变化对流域水文的影响,用陆面模式SSiB4与动态植被模型TRIFFID和流域地形指数水文模型TOPMODEL的耦合模型(SSiBT/TRIFFID)进行流域植被覆盖与土壤导水系数变化对流域水文影响的数值试验。结果表明:①植被类型明显影响流域地表能量平衡和水量平衡;②流域森林植被能明显减小一般洪峰流量,但对大的洪峰流量没有减弱作用;③减小土壤导水系数将明显增加地表径流和减小基流。     

A Semi-Distributed Monthly Water Balance Model and its Application in a Climate Change Impact Study in the Middle and Lower Yellow River Basin

Abstract

Human activities and climatic change have greatly impacted hydrological cycles and water resources planning in the Yellow River basin. In order to assess these impacts, a semi-distributed monthly water balance model was proposed and developed to simulate and predict the hydrological processes in the middle and lower Yellow River basin. GIS techniques were used as a tool to analyze topography, river networks, land-use, human activities, vegetation, and soil characteristics. The model parameters were calibrated in 35 gauged sub-basins in the middle Yellow River, and then the relationships between the model parameters and the basin physical characteristics were established. A parameterization scheme was developed in which the model parameters were estimated for each grid element by regression and optimization methods. Based on the different outputs of general circulation models (GCMs) and regional climate models (RCMs), the sensitivities to global warming of hydrology and water resources for the Yellow River basin were studied. The proposed models are capable of producing both the magnitude and timing of runoff and water resources conditions. The runoffs are found to be very sensitive to temperature increases and rainfall decreases. Results of the study also indicated that runoff is more sensitive to variation in precipitation than to increase in temperature. The additional uncertainty of climate change has posed a challenge to the existing water resources management practices, and the integration of water resources management will be necessary to enhance the water use efficiency in the Yellow River basin.